裂缝煤岩力学特性与冲击失稳宏细观机制研究

发布时间：2020-04-17 18:00

【摘要】：冲击矿压是裂缝产生、扩展和贯通而导致的一种煤岩突然破坏现象。本文围绕裂缝煤岩的力学特性与冲击失稳的宏细观机制,利用理论分析、数值试验、物理力学试验和工程实践等手段,首先分析了裂缝失稳的力学响应,其次从细观上研究了裂缝煤岩试样的损伤机制和动态破裂特征,再次从宏观上研究了裂缝煤岩体冲击失稳的力学机制,然后研究了巷道顶板煤帮底板不同裂缝赋存条件下的围岩破坏特征,最后进行了工程案例分析与应用。论文得到如下创新性成果:(1)裂缝煤岩的直剪数值试验表明:粗糙度、尺寸效应、剪切历史和法向应力四个因素对裂缝法向和切向力学特性均有影响;而剪切速率的影响较弱。对直剪试验结果进行拟合分析,得到了修正的巴顿抗剪强度准则,如下,(?)(2)利用UDEC二次开发构建了煤岩损伤判别指标,生成非均质和裂缝煤试样模型,分析了裂缝煤试样的细观损伤机制和动态破裂特征。完整煤试样的细观损伤以剪切裂缝为主,并诱发剪切动态破裂。高宽比和非均质性的增加使煤试样的破裂特征由多处剪切和劈裂向整体剪切转变,拉伸裂缝和损伤裂缝比重减少,煤试样由延性向脆性转变,冲击属性增强。孔洞缺陷的存在使煤试样的破裂特征由整体剪切转为多处剪切和劈裂组合,损伤裂缝比重减少,抗压强度迅速降低。随裂缝倾角的增大,煤试样的抗拉和抗压强度均呈先降低后增加的“U”型变化趋势。原生倾斜贯通裂缝可明显降低煤试样的冲击属性,促进次生裂缝的产生、扩展和贯通;非贯通裂缝之间的岩桥起到了减弱裂缝扩展的作用,仅造成煤试样局部滑移失稳,使冲击属性降低程度有限。裂缝网络煤试样的裂缝倾角数值越离散,冲击属性越强。(3)宏观裂缝煤岩试样的静态和振荡应力组合加载试验中,试样的应力跌落和声发射振铃计数高值点具有较好的耦合性;试样裂缝的扩展在压密、塑性和破坏阶段分别以拉伸、拉剪复合和剪切为主。正弦振荡应力的加载为细观裂缝扩展提供了惯性力,加速其产生、扩展和贯通,使煤试样应变软化特性增强,冲击属性增加。宏观裂缝倾角和岩桥长度的增加,使试样的强度呈先降低后增加的“V”型变化特征;正弦振荡应力使试样的峰值应力和应变呈波动状,影响其强度和弹性模量等力学性质的显现。对试样应力和声发射信号进行耦合分析,得出声发射b值(表征裂缝尺度)迅速降低和统计值Z2(表征裂缝贯通概率)可作为试样破坏的前兆信息。试样微破裂、位移和应力等多信息耦合表明,倾斜裂缝试样的破裂以剪切和劈裂组合为主,水平或垂直裂缝试样以劈裂为主。试样声波CT反演结果表明,应力峰值前微破裂和高波速区呈条带状耦合,峰值后微破裂均匀分布且高波速区消失,反映了试样的剪切破坏特征。(4)建立并分析了煤厚变化、底板层状和麦克斯韦力学模型,竖向应力分布规律表明其差值构成的剪切应力是水平裂缝煤岩失稳的主控因素,建立了辨识煤厚变化区冲击危险性的剪切应力指标;应力和能量监测结果表明水平应力是导致垂直裂缝煤岩产生层状劈裂失稳的主控因素;倾斜裂缝煤岩失稳呈粘滑特征,形成裂缝应力积聚释放再积聚、结构面闭锁解锁再闭锁的连锁反应,产生的应力波可导致裂缝进一步扩展。(5)建立了巷道顶板、底板和两帮冲击破坏的裂缝演化数值模型,对应力、位移和裂缝多信息进行了耦合分析,得出:冲击应力使围岩细观裂缝数量增加,加速了细观裂缝的产生、扩展及贯通,瞬间导致顶板下沉、底板鼓起和两帮变形;与单体支柱相比,锚杆和衬砌支护能够抑制细观裂缝扩展和贯通,在一定程度上防治围岩的冲击破坏;围岩冲击破坏的多信息耦合表明,最大主应力和次生裂缝在围岩中呈“四拱型”分布。(6)利用微震系统对赵楼煤矿的矿震进行了监测,分析了1305工作面震源分布与煤层分叉区的耦合特征,得出了剪切应力是导致工作面水平裂缝煤岩滑移失稳的主控因素;通过对1306工作面震动波CT反演,分析工作面波速、应力和波速梯度的分布特征,得出了巷道底板垂直裂缝失稳的主控因素为水平应力。提出基于裂缝扩展的冲击矿压微震多参量预警指标;根据围岩冲击破坏时裂缝与应力形成的“四拱型”分布特征,提出了控制巷道围岩裂缝扩展的综合防治体系。
【图文】：

剖面图,裂缝,实验室,尺度

tann=τ σ +c为裂缝上的内摩擦角和粘结力。强度的库伦准则是线性的。Barton[121-122]对裂缝的切破坏的非线性特征，根据裂缝粗糙度经验取值，10tan logn bnJCSτ σ JRC σ + ssku τ= 为有效剪切应力和法向应力；b 为裂缝基本摩擦取值需要考虑裂缝的风化程度； JRC 为裂缝的粗粗糙的情况。一般裂缝介质比较坚硬时，sk 为常刚当 JRC 较小或接近 0 时，，公式（2-4）变成（2-3）。

分析图,力学特征,粗糙度,裂缝

（a）法向变形（b）切向变形图 2-4 不同粗糙度裂缝力学特征图 2-4 Mechanical characteristics of cracks with different roughness图 2-5 为不同粗糙度和法向应力对裂缝抗剪强度的影响。在图（a）中，法向应力恒定为 10 MPa，粗糙度变化范围为 1 20。随着粗糙度的增加，三种准则下裂缝抗剪强度的变化不同。巴顿准则下的抗剪强度呈直线上升趋势；库伦准则下的抗剪强度呈凹曲线上升趋势，上升速率逐渐增大，且其值均大于巴顿准则下的抗剪强度值；UDEC 模拟的抗剪强度则处于两者之间，呈凹曲线上升趋势。粗糙度较小时，UDEC 得到的抗剪强度接近巴顿准则的值；而粗糙度较大时，抗剪强度则接近库伦准则的值。根据图（b）粗糙度恒定为 1，法向应力变化范围为 2 20 MPa。随着法向应力的增加，三种准则下裂缝抗剪强度均呈直线增加趋势，且 UDEC 的抗剪强度与巴顿准则的值完全耦合。分析图（c），粗糙度恒定为 10，法向应力变化范围为 2 20 MPa。随着法向应力的增加，巴顿准则和 UDEC 的抗剪强度均呈凸曲线增加趋势，且 UDEC 的抗剪强度与巴顿准则的值较为接近；库伦准则的值则呈直线上升趋势。依据图（d）可知，粗糙度恒定为 20法向应力变化范围为 2 20 MPa。随着法向应力的增加，巴顿准则和 UDEC 的抗剪强度均呈凸曲线增加趋势；库伦准则的值则呈直线上升趋势；粗糙度较小时 UDEC 的抗剪
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD324

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